受電弓電壽命預測分析系統的製作方法

2023-09-22 14:12:15

專利名稱：受電弓電壽命預測分析系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及弓網電壽命預測技術領域，特別是一種受電弓電壽命預測分析系統。
背景技術：
目前，電力牽引作為軌道交通牽引動力，在世界範圍內正得到不斷發展。列車在高 速行駛時是通過接觸網得到機車運行所需的高電能，受流質量是影響列車高速運行的關鍵 因素之一。只有好的受流，才能為列車提供足夠的電能。高速受流是指高速運行中的受電 弓通過與接觸線的滑動接觸獲得電能並傳給電力機車的過程。在此間，受電弓與接觸線在 電氣方面和機械方面都是相互依賴、相互制約、相互作用的。我國電力機車在實際應用中目 前存在的主要問題是滑條摩擦發熱嚴重、磨損過快、載流能力不穩定等問題，嚴重影響著機 車的運行速度。因此，對受電弓和接觸網的研究具有重要意義。由於受電弓運行過程屬於滑動電接觸的一種接觸方式，其運行時存在著電、磁、 光、熱、力、機械等多種物理現象，這些現象是一種瞬態過程，影響因素多、不確定因素多，使 受電弓的理論分析、產品設計、性能檢驗變得極為複雜。在地鐵這個大系統中，直接進行實 際測試相當困難。因此，急需研製一套受電弓模擬測試分析系統，以便針對受電弓在運行中 出現的電弧現象、電接觸磨損現象、壓力影響、材料影響等因素進行分析與研究，從而預測 受電弓的運行壽命，給受電弓產品設計提供理論分析與實驗研究基礎。隨著鐵路向高速化發展，高速列車牽引供電的新型接觸網系統已不同於傳統的接 觸網系統，當列車由普通速度提高到高速運行時，除了要研製高性能機車車輛和路線結構 夕卜，還必須研究和解決受電弓和接觸網的高速受流問題，使電力機車弓網能夠可靠平穩地 從接觸網上獲取電力能源。接觸線與受電弓的相互作用決定了供電的可靠性以及供電質 量，因而電能傳輸也成為限制實現最高速度運行的一個重要因素，而它取決於弓網相互配 合，因此，在理論上建立起完善的接觸網/受電弓系統模型，研究弓網系統運行的可靠性和 影響因素，探討高速弓網系統可靠性及安全性準則就成為發展我國高速鐵路的當務之急。弓網電弧是指由於接觸導線的不平順、接觸網的振動、受電弓弓頭的振動、軌道的 不平順等多種因素的影響，受電弓與接觸導線在相對高速滑動中分離而產生的氣體放電現 象。高速鐵路弓網電弧是一個複雜的研究對象，與電磁場、熱場、氣流場、等離子體等運動變 化相關。由於弓網電弧產生的環境複雜，涉及的影響因素多，無論採用理論分析還是實驗模 擬都十分困難。電弧模型涉及氣流場、熱場、等離子體、電磁場等多個學科領域，問題本身非 常複雜。高速電氣化鐵路弓網電弧還具有自身的特殊性電弧可能受到高速動車運動引起 的空氣流動的影響、受電弓機械振動的影響和複雜大氣環境的影響等，因而電弧模型的建 立還需要考慮更多的因素。弓網電弧能量大小的影響因素，還包括牽引供電系統拓撲結構、 負載的性質、電器元件的參數、電源電壓和負載電流運行參數、受電弓運動速度、離線時受 電弓在水平方向和垂直方向上的移動距離、空氣流動狀態等。國外同行專家設計並建立了實驗室弓網電弧測試機構，通過示波器對交流供電和 直流供電系統的弓網電弧進行研究和分析，取得了一定的研究成果。但是，其非智能控制測試系統，無法準確模擬受電弓的真實運行情況，只是將受電弓電弧通過示波器取出來，進行電弧分析。弓網系統電接觸是指滑板與接觸線相互接觸並通過接觸界面實現電流傳輸的一 種物理、化學現象。列車靜止不動時，弓網系統表現為固定電接觸，出現的主要現象和問題 是接觸電阻、接觸溫升和接觸熔焊。列車運行時，弓網系統具有滑動電接觸的特點，除了固 定電接觸的問題外，還有滑板與接觸線之間的摩擦、潤滑及磨損等問題。其電接觸具有自身 特點，可藉助電器領域中的電接觸研究方法進行電壽命分析和預測。

發明內容
本發明的目的在於提供一種受電弓電壽命預測分析系統，該系統有利於精確模擬 弓網各種不同的實際運行情況，建立受電弓電壽命預測模型，以對弓網的電壽命進行準確 的分析和預測。為實現上述目的，本發明的技術方案是一種受電弓電壽命預測分析系統，其特徵 在於包括受電弓特性測試試驗裝置和受電弓電壽命預測上位機系統，所述受電弓特性測 試試驗裝置由推力發生器、壓力發生器、模擬架空線的圓形導電轉盤、用於驅動所述圓形導 電轉盤轉動的調速電機、模擬受電弓的弧形直線導體、用於調整所述弧形直線導體高度的 可升降的絕緣支架、用於驅動所述絕緣支架做水平直線運動的直線電機、為所述圓形導電 轉盤供電的電源以及基於微處理器的智能控制模塊組成，所述智能控制模塊分別經一調速 控制模塊控制所述調速電機和直線電機工作，所述智能控制模塊經一電源控制模塊對電源 進行控制，所述推力發生器、壓力發生器、調速電機、直線電機、電源控制模塊、弧形直線導 體、圓形導電轉盤與弧形直線導體之間的工作氣隙上分別設有相應的信號傳感器，該些信 號傳感器將採集到的相關測試參數傳送給所述受電弓電壽命預測上位機系統，以進行受電 弓電壽命預測分析。所述受電弓特性測試試驗裝置可以方便地改變弓網模型的接觸壓力、 接觸電阻、運行速度、燃弧間隙等參數，從而方便地分析影響弓網的各種因素，並將參數送 到上位機系統進行分析和預測。本發明的有益效果是建立了基於微處理器智能控制模塊的受電弓特性測試試驗 裝置，該系統通過兩臺電機對架空線和受電弓進行現場模擬，並通過智能控制模塊的控制， 方便地調整模擬弓網的工作狀態，準確地實現模擬弓網不同運行速度、不同接觸壓力、不同 負載、不同電源系統的實際運行情況，建立受電弓在不同負載、不同工作條件、不同環境下 的電流、電壓、速度、溫度、位移、壓力特性計算模型，形成完整的弓網故障分析和電壽命預 測系統，因此，具有很強的實際意義和廣闊的應用前景。下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。


圖1是本發明實施例的受電弓特性測試試驗裝置的工作原理框圖。圖2是本發明實施例的受電弓電壽命預測上位機系統的工作原理框圖。
具體實施例方式本發明的受電弓電壽命預測分析系統，包括受電弓特性測試試驗裝置和基於LabVIEW的受電弓電壽命預測上位機系統，所述受電弓特性測試試驗裝置由推力發生器 F1、壓力發生器F2、模擬架空線的圓形導電轉盤A、用於驅動所述圓形導電轉盤A轉動的調 速電機D2、模擬受電弓的弧形直線導體H、用於調整所述弧形直線導體H高度的可升降的絕 緣支架E、用於驅動所述絕緣支架E做水平直線運動的直線電機D1、為所述圓形導電轉盤A 供電的電源P以及基於微處理器的智能控制模塊M組成，所述智能控制模塊M分別經一調 速控制模塊G2、Gl控制所述調速電機D2和直線電機Dl工作，所述智能控制模塊M經一電 源控制模塊K對電源P進行控制。所述推力發生器F1、壓力發生器F2上分別設有力傳感器 Si、S2，所述調速電機D2、直線電機Dl上分別設有速度傳感器V2、VI，所述電源控制模塊K 上設有電壓傳感器Ul和電流傳感器11，所述弧形直線導體H上設有溫度傳感器T和位移傳 感器X，所述圓形導電轉盤A與弧形直線導體H之間的工作氣隙C上設有電壓傳感器U2和電 流傳感器12，以將該些信號傳感器採集到的推力、壓力、速度、電壓、電流、溫度、位移測試參 數傳送給所述受電弓電壽命預測上位機系統，以進行受電弓電壽命預測分析。共有10個信 號參數被送到受電弓電壽命預測上位機系統中1_主電路電壓信號；2-主電路電流信號； 3_工作氣隙的電壓信號；4-工作氣隙的電流信號；5-推力信號；6-壓力信號；7-直線電機 的速度信號；8-旋轉電機的速度信號；9-模擬受電弓的弧形直線導體的溫度信號；10-模 擬受電弓的弧形直線導體的位移信號。所述受電弓特性測試試驗裝置可以方便地改變弓網 的接觸壓力、接觸電阻、運行速度、燃弧間隙等參數，從而方便的分析影響弓網的各種因素， 並將參數送到上位機系統進行分析和預測。
如圖1所示，A為圓形導電轉盤，其固定在轉軸上與調速電機D2相連，智能控制模 塊M通過調速控制模塊G2對圓形導電轉盤的轉速按要求進行控制，V2為速度傳感器，可將 調速電機D2的速度信號發送到受電弓電壽命預測上位機系統中。此圓形導電轉盤圓周邊 帶電，圓周邊即為圖中B部分，B部分代表架空線的工作模型，H為用於模擬受電弓的弧形直 線導體，H與B之間存在一個工作氣隙C，工作氣隙的電弧、接觸情況、接觸電阻、接觸壓力、 溫升等，都是需要重點關注的參數。U2為電壓傳感器，12為電流傳感器，其分別反映工作氣 隙的電壓、電流情況，由此可以判斷電接觸和電弧的參數。T為溫度傳感器，X為位移傳感 器，這兩個參數分別反映了弧形直線導體H的工作溫度和工作位移變化情況，為受電弓壽 命預測提供重要依據。E為可升降並可以直線運動的絕緣支架，可以方便調整弧形直線導體 H的高度和直線運行距離。Dl為直線電機，控制弧形直線導體H的水平運動，智能控制模塊 M通過調速控制模塊Gl對直線電機按要求進行控制，Vl為速度傳感器，可將直線電機Dl的 速度信號發送到上位機系統中。P為電源，由電源控制模塊K對電源進行控制，分直流和交 流兩種供電系統控制，Ul為電壓傳感器，Il為電流傳感器，這兩個傳感器可將主電路的電 壓、電流參數傳到上位機系統中。Fl為推力發生器，F2為壓力發生器，這兩部分的合力施加 在圓形帶電轉盤上，改變架空線和受電弓之間的受力情況，由此模擬力場的影響。Sl和S2 為力傳感器，將力發生器的參數輸送到上位機系統中，由上位機系統進行處理和分析。智能 控制模塊M完成整體控制與信號傳輸作用，其分別控制電機的轉速、工作時間，力的施加時 亥IJ、力值大小，電源的施加時刻和工作類別等等，是整個系統的控制中心，還負責與上位機 的通信和資源共享。上述基於LabVIEW的受電弓電壽命預測上位機系統由信號調理模塊J、數據採集 卡Z、測試程序模塊Y、數據比較模塊W、電壽命預測資料庫R、波形顯示模塊L、壽命預測模塊Q和管理設置模塊N構成；所述信號調理模塊J對所述信號傳感器傳送來的測試參數進 行處理，處理後將波形送到所述數據採集卡Z中，所述數據採集卡Z將信號送入所述測試程 序模塊Y中，所述測試程序模塊Y中的數據與所述電壽命預測資料庫R中參數在所述數據 比較模塊W中進行分析、比較、計算，分別輸入到所述波形顯示模塊L、管理設置模塊N、壽命 預測模塊Q中，完成對受電弓的測試與分析。
如圖2所示，10個現場信號被送到信號調理模塊J中，通過信號調理模塊J處理以 後，將波形送到數據採集卡Z中，信號採集卡Z將信號送入測試程序模塊Y中，R為經過人 工智能算法完成的電壽命預測資料庫，將電壽命預測資料庫R中參數與測試程序模塊Y中 的數據在數據比較模塊W中進行分析、比較、計算，分別輸入到波形顯示模塊L、管理設置模 塊N、壽命預測模塊Q中，完成對受電弓的測試與分析。上述波形顯示模塊L通過對測試波形的處理分析，實現對測試信號的運算處理， 也可實現通道間的運算。同時，對採集到的波形進行單通道/全通道的放大、縮小或對指定 區域進行縮放處理，可以自動讀出通流時間以及光標間指定的波形數據，具有友好的人機 界面，操作方便、功能完善。波形顯示模塊L還具有自動報表功能通過預先設置的試驗參 數(報告編號、試驗類別、試驗條件、樣品信息、儀器信息、樣品編號、測量參數、試驗時間、試 驗人員等)可在試驗後自動生成試驗報告，並且可以自動對各通道進行零位校準。當試品發 生故障時，具有自動報警功能。上述壽命預測模塊Q將系統中的電壓、電流、電弧電壓、系統過電壓、燃弧時間、電 弧能量、系統的壓力、位移、速度等測試參數，與所述電壽命預測資料庫中的參數進行比對 和計算，根據壽命預測模型，提出受電弓電壽命預測。上述管理設置模塊N根據需要進行參數的設置和系統管理，分為兩個相對獨立又 相互關聯的參數設置模塊，由系統管理界面進行切換。(1)波形顯示模塊L的參數與顯示設置根據試驗樣機進行測量範圍、測試精度、 歷史記錄存儲、顯示參數、報告格式、報表輸出等設置；
(2)壽命預測模塊Q的參數與顯示設置根據試驗樣機設定速度、位移、溫度、電流、電 壓、力等，根據受電弓工作狀態設定失效機理分析與壽命預測的關鍵參數，根據要求設定顯 示的特性參數與分析參數值。基於LabVIEW的受電弓電壽命預測上位機系統，根據採集的弓網接觸間隙電壓、 電流、溫度等信號，以及系統的壓力、推力、速度、位移、電壓、電流等測試參數，建立受電弓 綜合分析系統，通過智能分析算法形成受電弓電壽命預測分析模塊，為受電弓的設計、研製 奠定理論和實驗基礎。以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作 用未超出本發明技術方案的範圍時，均屬於本發明的保護範圍。
權利要求
一種受電弓電壽命預測分析系統，其特徵在於包括受電弓特性測試試驗裝置和受電弓電壽命預測上位機系統，所述受電弓特性測試試驗裝置由推力發生器、壓力發生器、模擬架空線的圓形導電轉盤、用於驅動所述圓形導電轉盤轉動的調速電機、模擬受電弓的弧形直線導體、用於調整所述弧形直線導體高度的可升降的絕緣支架、用於驅動所述絕緣支架做水平直線運動的直線電機、為所述圓形導電轉盤供電的電源以及基於微處理器的智能控制模塊組成，所述智能控制模塊分別經一調速控制模塊控制所述調速電機和直線電機工作，所述智能控制模塊經一電源控制模塊對電源進行控制，所述推力發生器、壓力發生器、調速電機、直線電機、電源控制模塊、弧形直線導體、圓形導電轉盤與弧形直線導體之間的工作氣隙上分別設有相應的信號傳感器，該些信號傳感器將採集到的相關測試參數傳送給所述受電弓電壽命預測上位機系統，以進行受電弓電壽命預測分析。
2.根據權利要求1所述的受電弓電壽命預測分析系統，其特徵在於所述推力發生器、 壓力發生器上分別設有力傳感器，所述調速電機、直線電機上分別設有速度傳感器，所述電 源控制模塊上設有電壓傳感器和電流傳感器，所述弧形直線導體上設有溫度傳感器和位移 傳感器，所述圓形導電轉盤與弧形直線導體之間的工作氣隙上設有電壓傳感器和電流傳感 器，以將該些信號傳感器採集到的推力、壓力、速度、電壓、電流、溫度、位移測試參數傳送給 所述受電弓電壽命預測上位機系統。
3.根據權利要求1或2所述的受電弓電壽命預測分析系統，其特徵在於所述受電弓 電壽命預測上位機系統由信號調理模塊、數據採集卡、測試程序模塊、數據比較模塊、電壽 命預測資料庫、波形顯示模塊、壽命預測模塊和管理設置模塊構成；所述信號調理模塊對 所述信號傳感器傳送來的測試參數進行處理，處理後將波形送到所述數據採集卡中，所述 數據採集卡將信號送入所述測試程序模塊中，所述測試程序模塊中的數據與所述電壽命預 測資料庫中參數在所述數據比較模塊中進行分析、比較、計算，分別輸入到所述波形顯示模 塊、管理設置模塊、壽命預測模塊中，完成對受電弓的測試與分析。
4.根據權利要求3所述的受電弓電壽命預測分析系統，其特徵在於所述波形顯示模 塊通過對測試波形的處理分析，實現對測試信號的運算處理以及通道間的運算；所述波形 顯示模塊還用以對採集到的波形進行單通道/全通道的放大、縮小或對指定區域進行縮放 處理，以自動讀出通流時間以及光標間指定的波形數據；所述波形顯示模塊還可進行自動 報表通過預先設置的試驗參數在試驗後自動生成試驗報告，並可自動對各通道進行零位 校準。
5.根據權利要求3所述的受電弓電壽命預測分析系統，其特徵在於所述壽命預測模 塊將所述測試參數與所述電壽命預測資料庫中的參數進行比對和計算，根據壽命預測模 型，進行受電弓電壽命預測。
全文摘要
本發明涉及一種受電弓電壽命預測分析系統，包括受電弓特性測試試驗裝置和上位機系統，受電弓特性測試試驗裝置由推力發生器、壓力發生器、模擬架空線的圓形導電轉盤、驅動圓形導電轉盤轉動的調速電機、模擬受電弓的弧形直線導體、調整弧形直線導體高度的絕緣支架、驅動絕緣支架直線運動的直線電機、電源以及控制調速、直線電機及電源工作的智能控制模塊組成，推力、壓力發生器、電機、電源控制模塊、弧形直線導體及其與圓形導電轉盤間的工作氣隙上設有信號傳感器，以將採集到的相關測試參數傳送給上位機系統。該系統有利於精確模擬弓網各種不同的實際運行情況，建立受電弓電壽命預測模型，以對弓網的電壽命進行準確的分析和預測。
文檔編號G01R31/08GK101865962SQ201010212560
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月30日 優先權日2010年6月30日
發明者林抒毅, 湯龍飛, 許志紅, 陳惠娟 申請人:福州大學